تشخیص soft foot با آنالیز ارتعاشات

۱- تشخیص soft foot با آنالیز ارتعاشات

گزارشی که در قالب مقاله حاضر ارائه می­شود به آنالیز ارتعاشات soft foot یکی از پمپ­های اصلی کارخانه گندله سازی اختصاص دارد که با روش ارتعاش سنجی انجام شده است.

٢- تعریف مسئله و تشخیص soft foot با آنالیز ارتعاشات

پمپی که در گزارش جاری در مورد آن بحث می­شود، از تجهیزات حساس در خط تولید کارخانه گندله سازی بشمار می­آید. این حساسیت مربوط به وظیفه آن جهت تغذیه خط خنک کاری فن­های فرآیند می­باشد بگونه­ای که خرابی و توقف آن سبب کاهش تولید و در پی آن خسارات مادی زیادی خواهد شد. در این پژوهش ضمن پایش این تجهیز عیوب آن شناسایی و برای رفع آن اقدامات لازم پیشنهاد و اجرا می­گردد. همچنین با رفع ایرادات نیز پایش لازم انجام شده تا از صحت پیش­بینی­های ارائه شده اطمینان حاصل گردد. در شکل ۱ نمای شماتیک پمپ و الکترو موتور آن که با تسمه در ارتباط هستند و محل نقاط اندازه­گیری ارتعاشات (محل­های نصب سنسور) نشان داده شده است. لازم به ذکر است که اندازه­گیری­ها در هر نقطه در سه راستای افقی، عمودی، و محوری انجام می­شود که بترتیب با سمبل­های H، V و A نشان داده شده­اند. ملاحظه می­شود که نقاط انتخابی در دو سمت آزاد موتور و پمپ؛ و همچنین دو سمت نزدیک کوپلینگ­ها قرار گرفته­اند که بترتیب با علامت Loose و Fix نشان داده می­شوند و در بخش­های بعد با این اسامی آدرس دهی می­شوند. مشخصات فنی موتور و پمپ مورد مطالعه و همچنین بیرینگ­های موجود در طرح در جدول ۱ آورده شده است. داده برداری در یک بازه زمانی حدود یک ماهه انجام شده که شامل دوره وجود مشکل و پس از رفع آن می­باشد.

شکل 1: شماتیک پمپ و الکتروموتور و محل­های اندازه­گیری ارتعاشات

جدول 1: اطلاعات فنی پمپ و الکتروموتور و بیرینگ­های تجهیز

در جدول ۲ مقادیر اندازه­گیری شده کلی ارتعاشات قبل از رفع عیب آورده شده است. همانگونه که از داده­های جدول مشخص است فرکانس­های ارتعاش محوری دارای مقدار قابل توجه می­باشند لذا نمودارهای طیف فرکانسی آنها در شکل­های ۲ و ۳ آورده شده است و از ارائه سایر طیف­ها صرفنظر می­شود.

جدول ۲: مقادیر کلی ارتعاشات قبل از رفع عیب

شكل ۲: نمودار طیف فرکانس ارتعاش افقی سمت کوپلینگ الکتروموتور

شکل ۳: نمودار طیف فرکانس ارتعاش افقی سمت آزاد الکتروموتور

٣- تشخیص soft foot با آنالیز ارتعاشات

با توجه به اندازه­گیری فرکانس­های ارتعاش که در بخش قبل بیان گردید، حال سوال این است که “آیا این مقادیر در محدوده مجاز هستند یا خیر؟” برای پاسخ به این سوال بایستی به مرجع استاندارد متناسب با این تجهیز مراجعه و مقادیر اندازه­گیری شده را با مقادیر مرجع مقایسه نمود. برای این منظور به استاندارد ISO 10816-3 استناد می­شود که در قسمتی از آن در قالب شکل ۴ آورده شده است. با استناد به این استاندارد، ارتفاع شفت 160mm < L < 315mm ، توان 15KW < P < 300KW و محدوده سرعت> 600rpm می­توان گفت که بیرینگها در گروه ۲ و ۴ قرار می­گیرند. همچنین پمپ مورد بررسی از نوع تکیه گاه صلب (rigid) بوده لذا حد آلارم و تریپ مربوط به آن به شرح زیر می­باشد.

Alarm limit: 2.8mm/s                      Trip limit: 4.5mm/s

شکل ۴: استاندارد ISO 10816-3 در رابطه با مقادیر مجاز تا خطرناک دامنه ارتعاش

با مقایسه مقادیر اندازه­گیری شده با مقادیر مرجع مشخص می­شود که در هر دو قسمت آزاد و کوپلینگ پمپ ارتعاشات در راستاهای افقی و عمودی در حد مجاز است هر چند در راستای محوری مقدار آن بیشتر است ولی آن نیز بحرانی نیست. از طرف مقابل، در نقاط اندازه­گیری روی موتور بویژه در راستای محوری ارتعاش در وضعیت بحرانی است. برای مشاهده وضعیت در خلال زمان، نمودار دامنه ارتعاش محوری (از خانواده سرعت) در قسمت کوپلینگ الکتروموتور به ازای زمان­های مختلف اندازه­گیری و در شکل ۵ نشان داده شده است. با توجه به این نمودار، با گذشت زمان نمودار دارای سیر صعودی بوده و به بیانی دیگر وضعیت در حال بدتر شدن است.

شكل ۵: نمودار تغییر وضعیت دامنه ارتعاش در راستای افقی (از نوع سرعت) در سمت کوپلینگ الکتروموتور

حال که در رابطه با وجود مشکل در محل موتور اطمینان حاصل گردید بایستی دلیل آن جستجو گردد. برای این منظور، فرکانس ارتعاش استخراج شده و در مورد آن بحث صورت می­گیرد. در این رابطه، طیف فرکانسی ارتعاشات قسمت­های مختلف با کمک تبدیل فوریه سریع بدست می­آید. جهت وضوح بیشتر مقادیر عددی، اطلاعات مربوط به فرکانس­های تحریک شده افقی، دامنه آنها و همچنین ضریب سرعت محور در محل­های سمت کوپلینگ و آزاد موتور بترتیب در جدول­های ۳ و ۴ آورده شده است. ملاحظه می­شود که بیشترین دامنه در فرکانس­های 1X، 2X و 6X اتفاق افتاده است که X بیانگر سرعت محور موتور است. البته می­توان مشاهده نمود که در هر دو نقطه نزدیک کوپلینگ و سمت آزاد الکتروموتور فرکانس­هایی نیز تحریک شده­اند که ضریب صحیحی از سرعت محور نمی­باشند.

جدول ۳: فرکانس­های تحریک شده در ارتعاش افقی سمت کوپلینگ الکتروموتور

جدول ۴: فرکانس­های تحریک شده در ارتعاش افقی سمت آزاد الکتروموتور

باتوجه به مقادیر فرکانس­های استخراج شده، عیوبی شامل نابالانسی، ناهم راستایی کوپلینگ، خرابی بیرینگها و ناهم سطحی پایه­های موتور برای این تجهیز قابل تصور و محتمل می­باشد. در ادامه با بررسی بیشتر برای تعیین ایراد واقعی تلاش می­شود.

همانگونه که در شکل ۶ نشان داده شده، یک بیرینگ در حالت کلی از چهار نوع المان تشکیل شده که خرابی هر کدام از آنها علائم خاصی را بدنبال دارد. با توجه به نوع بیرینگ­ها که پیشتر معرفی شدند می­توان قطر حلقه­ها، قطر ساچمه­ها و تعداد آنها را مشخص کرده و با کمک روابط موجود که در زیر آورده شده­اند فرکانس­های چهار گانه خرابی رینگ داخلی (BPFI) ، خرابی رینگ خارجی (BPFO)، خرابی قفسه (FTF) و خرابی ساچمه (BSF) را محاسبه نمود.

در این روابط n بیانگر تعداد ساچمه­ها، f_n فركانس چرخش شفت، BD قطر ساچمه­ها، D1 قطر داخلی رینگ بیرونی و D2 قطر خارجی رینگ داخلی و  زاویه تماس در بیرینگ تماس مایل می­باشد. لازم به ذکر است که برای بیرینگ شیار عمیق           لحاظ می­گردد. بدین ترتیب با معلوم بودن نوع بیرینگ، اطلاعات هندسی آن مشخص می­شود و می­توان فرکانس­های معرفی شده را محاسبه نمود. برای مثال در اینجا اطلاعات بیرینگ­های مورد مطالعه بشرح زیر می­باشند.

,NU 309 ECM : n= 12, BD=0.551, PD=2.8540=

,3302C3 : n=12, BD=0.25, PD=1.22,30=

با انجام محاسبات لازم مقادیر فرکانسهای دو بیرینگ معرفی شده بدست می­آید که در جدول ۵ ثبت شده است،

شکل ۶:المان­های اصلی تشکیل دهنده بیرینگ و خرابی متناظر با آنها

جدول ۵:فرکانس­های خرابی متناظر با بیرینگ­های موجود در تجهیز

با توجه به سرعت چرخش موتور و پمپ، فركانس چرخش آنها بترتیب برابر 48.7Hz و 44.05Hz بدست می­آید. با مقایسه فرکانس­های بدست آمده از داده برداری مشخص می­شود که هیچ کدام از فرکانس­های خرابی بیرینگ تحریک نشده­اند و بدین ترتیب احتمال وجود این مشکل منتفی می­گردد یا حداقل ایراد آن محسوس نیست.

از طرفی دیگر، نابالانسی منجر به ارتعاش شعاعی با فرکانس 1X می­شود که در مسئله جاری واقع شده است. ولی نمی­توان با قاطعیت وجود این عیب را محتمل دانست لذا برای قضاوت دقیقتر تحليل فاز انجام می­گیرد. در عمل مشاهده شد که ارتعاش افقی دو تکیه گاه هم فاز نمی­باشد بلکه این مقدار اختلاف فاز حدود ۷۷ درجه می­باشد. همین وضعیت برای ارتعاش عمودی نیز برقرار است لذا می­توان گفت که نقص مذکور نیز از بین کاندیداها خارج می­شود. تحلیل فاز نشان می­دهد که اختلاف فاز ۱۸۰ درجه بین دو پولی وجود ندارد لذا ناهمراستایی پولی­ها نمی­تواند عامل ارتعاش باشد. در واقع، زاویه فاز پولی سمت موتور ۱۰ درجه و زاویه فاز پولی پمپ ۱۶۰ درجه می­باشد که بیانگر اختلاف فاز ۱۵۰ درجه است. از اینرو می­توان گفت که ناهم محوری نیز نمی­تواند عامل ارتعاش مطرح شده در این تجهیز باشد.

با این اوصاف، از آنجا که ارتعاش موتور در سمت کوپل و سمت آزاد، در جهت افقی بسیار بالاست لذا کاندیدای باقی مانده یعنی نا همسطحی پایه­های تجهیز بعنوان ایراد اصلی محتمل می­باشد.

۴- رفع نقص و بررسی مجدد soft foot با آنالیز ارتعاشات

تا این مرحله ایرادی که بعنوان کاندید اصلی برای موتور مطرح و باقیمانده است ناهمسطحی پایه­های آن می­باشد. در بررسی­های دقیق­تر میدانی مشخص شد که در هنگام نصب اولیه تجهیز، دقت لازم صورت نگرفته و از طرفی گرد و غبار و رسوبات آهن در محل جایگیری پایه­ها باعث برهم زدن صافی سطح پایه­های موتور بر روی فوندانسیون شده است. با رفع این موارد و هم سطح سازی پایه­ها و سپس هم محورسازی مجدد شفت موتور و پمپ، تجهیز راه­اندازی شده و مجددا ارتعاشات آن اندازه­گیری شد که نتایج نهایی آن بطور خلاصه در جدول ۶ آورده شده است. ملاحظه می­گردد که در مقایسه با قبل از رفع ایراد نا هم سطحی پایه­ها، دامنه ارتعاش بشدت کاهش یافته است. همچنین در شکل ۷ نمودار فرکانسی ارتعاش محوری سمت کوپلینگ موتور نشان داده شده است و در جدول ۷ نیز مقادیر فرکانس­های تحریک شده آن ثبت گردیده است. ملاحظه می­گردد که ضریب وزنی فرکانس 1X در مقایسه با قبل از رفع عیب بسیار کمتر است. البته با توجه به نتایج ثبت شده در جدول فرکانس­های دیگری از جمله 2X و 4X نیز تحریک شده­اند که اندازه آنها قابل توجه نیست.

جدول ۶: مقادیر کلی ارتعاشات بعد از رفع عیب

شكل ۷: نمودار طیف فرکانس ارتعاش افقی سمت کوپلینگ الکتروموتور بعد از رفع نقص

جدول ۷: فرکانس­های تحریک شده در ارتعاش افقی سمت آزاد الکتروموتور بعد از رفع نقص

5- نتیجه ­گیری و بحث تشخیص soft foot با آنالیز ارتعاشات

در این تحقیق کارآیی روش ارتعاش سنجی در تشخیص عیوب در سیستم الکتروموتور و پمپ مورد تایید قرار گرفت. هر چند در قبل و حتی حین نصب برخی دقت­ها و حساسیت­ها چندان مهم بنظر نمی­رسد ولی این تحقیق نشان داد که حتی بی­دقتی­های کوچک نیز در برخی تجهیزات می­تواند عواقب ناگواری را بدنبال داشته باشد. از اینرو با فراهم شدن امکان درک عینی علائم وجود مشکل می­توان نیروهای مجری را بیشتر و بهتر در جریان حساسیت­های ضروری حین نصب و همچنین نگهداری تجهیز قرار داد. بدین ترتیب می­توان از ادامه کارکرد سیستم در شرایط وجود ایراد جلوگیری کرده و از صدمات اساسی پیشگیری نمود.

منبع: اکبر جعفری، رضا عباسی، مهدی مکی آبادی “کاربرد آنالیز ارتعاشات در عیب یابی پمپ و الکتروموتور کارخانه گندله سازی مجتمع معدنی صنعتی گل گهر  ” هشتمین کنفرانس تخصصی پایش وضعیت و عیب­یابی ماشین آلات ایران، تهران، دانشگاه صنعتی شریف، اسفند ۱۳۹۲